鲁兵安教授、于馨智副教授， ACS Nano观点：部分和弱溶剂化共溶剂对高性能钾离子电池电解质溶剂化的重构

第一作者：陈伟杰，张典伟

通讯作者：鲁兵安*，于馨智*

单位：湖南大学

钾离子电池(PIBs)具有丰富的钾资源和高的工作电压等优点，因此具有很大的发展前景。电解液是保证电池有效循环不可缺少的成分，醚基电解质因具有极低的极化电压和与钾金属良好的兼容性，是钾离子电池中最重要的电解质之一。然而，它们的发展受到K⁺和醚溶剂之间强结合的阻碍，其导致[K⁺-溶剂]在石墨负极上共嵌。因此，研究人员近年来提出了高浓度电解液、局部高浓度电解液等策略来优化溶剂化鞘层结构，旨在削弱阳离子-溶剂之间的相互作用。但是，目前的电解液设计理念大多仍基于“高浓度”或“氟化”，限制了其实际的应用。基于此，本工作提出了一种部分和弱溶剂化电解质(PWSE)，有效解决了[K⁺-溶剂]共嵌的现象，并提高了电池的电化学性能。

近日，来自湖南大学的鲁兵安教授和于馨智副教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Restructuring Electrolyte Solvation by a Partially and Weakly Solvating Cosolvent toward High-Performance Potassium-Ion Batteries”的文章。该文章提出了一种部分和弱溶剂化电解液(PWSE)，其中传统的1,2-二甲氧基乙烷(DME)电解液的局部溶剂化环境被部分和弱溶剂化共溶剂二乙氧基甲烷(DEM)有效地重构。值得注意的是，基于DME的电解液的溶剂化结构转变为富含离子对聚集体(AGGs)的结构，从而促进了薄而稳定的固体电解质界面（SEI）的生成。得益于优化的溶剂化结构和更加均匀的SEI生成，极大地提高了钾离子电池的电化学性能。

该工作中，作者通过实验表征和理论计算表明DEM可作为部分和弱溶剂化共溶剂，将DEM引入KFSI/DME电解液，所合成的KFSI/DEM−DME电解液是PWSE。这是因为大多数DEM分布在K⁺的第一溶剂化鞘层之外，并且DEM和DME之间存在弱的偶极子-偶极子相互作用。因此，DEM对参与到溶剂化结构的DME有拖拽作用，K⁺与DME之间的库仑力减弱。这使得K⁺的溶剂化结构松动，使其更容易在电极表面去溶剂化，从而提高了电池的电化学性能。

当使用2 M KFSI/DME电解液时，石墨负极具有一个较高的放电平台，表明发生了[K⁺-溶剂]共嵌入行为，这主要是由于K⁺-DME之间强相互作用导致的。基于上述电解液的溶剂化结构的优化，石墨负极在2 M KFSI/DEM-DME电解液中表现出稳定的循环性能。此外，钾电极也表现出可逆的沉积/剥离(K||Cu电池在400次循环中平均库仑效率为98.72%)和无枝晶生长特性(K||K电池工作超过1800小时)。这些结果表明，随着部分和弱溶剂化共溶剂DEM的引入，2 M KFSI/DEM−DME电解液表现出优异的电化学性能。

作者通过SEM和TEM对循环后的铜箔和石墨电极进行表征。结果表明，当使用2 M KFSI/DEM−DME电解液时，铜箔表面是平坦的，光滑的，并且没有严重的枝晶生长；此外，石墨负极有效地保持了石墨的初始结构，这有利于实现石墨负极的长期稳定地循环。

以层状氧化物K_0.45Mn_0.85Mg_0.15Rb_0.05O₂(KMMRO)为正极，研究了2 M KFSI/DEM−DME电解液的性能。KMMRO||K电池表现出良好的循环稳定性，倍率性能也有所提高。组装了基于KMMRO正极和石墨负极的钾离子全电池，经过200次的循环后，全电池的可逆容量为57.7 mA g⁻¹，相当于78.4%的容量保持率。

“Restructuring Electrolyte Solvation by a Partially and Weakly Solvating Cosolvent toward High-Performance Potassium-Ion Batteries”

鲁兵安，男，湖南大学教授，博士生导师。国家自然科学基金区域联合基金重点项目负责人、国家自然科学基金优秀青年基金获得者、湖南省杰出青年基金项目获得者，湖南省青年骨干教师，湖南省湖湘杰出英才。长期从事新型储能材料与器件的研究，以第一作者或通讯作者在Nature、Nature Sustainability、National Science Review、Nature Communications、Advanced Materials等发表包括“中国百篇最具影响国家学术论文”在内的学术论文累计200余篇，被引用17000余次，H指数74，National Science Review、Molecules、Science China Technological Sciences、InfoMat、SmartMat等国内外期刊编委、青年编委。

于馨智，男，湖南大学副教授，博士生导师。以第一作者或通讯作者在Advanced Materials，Advanced Energy Materials，ACS Nano等刊物发表论文10余篇，其中，单篇最高引用650余次，引用大于300次论文3篇。承担纵向项目4项，作为项目骨干参与国家自然科学基金地区联合基金（重点类）项目1项。

陈伟杰，男，湖南大学物理与微电子科学学院硕士生。

张典伟，男，湖南大学物理与微电子科学学院博士生。

团队立足于国家战略长期从事绿色、环保、高比能二次电池的基础研究及研发。